Frontiers in Chemistry

Introduktion

Färgämneskänsliga solceller (DSC) har rönt stor uppmärksamhet under de senaste åren på grund av deras goda solcellsprestanda, särskilt i svagt ljus, deras flexibilitet när det gäller färger och utseende, deras relativt enkla tillverkningsmetoder och deras potentiellt låga kostnad. Effektiva färgämnessensitiserade solceller (DSC) utvecklades först på 1990-talet och kännetecknades av det banbrytande arbetet av O’Regan och Grätzel (1991) som först använde mesoporösa TiO2-elektroder som framställts av kolloidala TiO2-nanopartiklar (O’Regan och Grätzel, 1991).

Den fungerande mekanismen för DSC skiljer sig mycket från andra typer av solceller (O’Regan och Grätzel, 1991; Hagfeldt et al., 2010). I sin ursprungliga utformning är DSC en fotoelektrokemisk solcell som består av en färgämnessensitiserad mesoporös TiO2-arbetselektrod (WE), en redoxelektrolyt och en motelektrod (CE). Både WE och CE kan vara (halv)transparenta, vilket gör det möjligt att belysa solcellen från båda sidor. Färgämnesmolekyler, försedda med lämpliga förankringsgrupper, adsorberas som ett monolager på den mesoporösa TiO2-elektroden. När färgämnena absorberar ljus kan de exciterade molekylerna injicera elektroner i TiO2:s ledningsband (elektronöverföringsreaktion 1 i figur 1). En redoxmediator i elektrolyten regenererar de resulterande oxiderade färgämnesmolekylerna (ET 2). Den oxiderade formen av mediatorn är ansvarig för transport av positiv laddning till motelektroden genom diffusion. Slutligen samlas elektroner i TiO2 in på det underliggande fluor-dopade tinoxid (FTO)-belagda glassubstratet och rör sig genom en extern krets till motelektroden, där de reducerar den oxiderade redoxmediatorn (ET 3), varvid cykeln sluts. En schematisk presentation av dessa processer visas i figur 1.

Ett antal rekombinationsreaktioner i DSC konkurrerar med de framåtriktade processer som beskrivs ovan. Strålande och icke strålande de-excitering av färgämnet konkurrerar med elektroninjektion från det exciterade färgämnet till ledningsbandet hos TiO2. Dessutom kan elektroner i TiO2 rekombinera med oxiderade färgämnesmolekyler (ET 4) eller till den oxiderade formen av redoxmediatorn (ET 5). För optimerade DSC-system är verkningsgraden för omvandling av foton till ström (IPCE) cirka 90 %. Eftersom det finns vissa reflektions- och transmissionsförluster innebär detta att varje absorberad foton ger en elektron i den externa kretsen under de mätförhållanden som används, vanligtvis under kortslutningsförhållanden. Under driftsförhållanden, när solcellen ger maximal effekt (i maximal effektpunkt, MPP), är IPCE betydligt lägre och det finns både ström- och spänningsförluster. För att fullt ut optimera DSC måste dessa förluster minimeras, vilket kommer att diskuteras i avsnittet Begränsningsfaktorer i DSC.

Redoxparet triiodid/iodid (I3-/I-) används oftast i DSC. Detta komplexa redoxpar har dock vissa allvarliga begränsningar, vilket påpekades i vårt tidigare arbete (Boschloo och Hagfeldt, 2009). Specifikt är dess formella reduktionspotential (E0′) relativt negativ (+0,35 V mot NHE) jämfört med E0′ (D+/D) för typiska färgämnen (ca 1 V mot NHE), vilket resulterar i en stor förlust på mer än 0,5 V. Orsaken är den flerstegs regenerationsmekanism som inbegriper bildning av I2-radikalen som en reaktionsintermediär. Dessutom är triiodid ganska starkt färgad och det finns problem med den långsiktiga stabiliteten (partiklar). Kort sagt, triiodid/jodid är inte vägen till DSC med högre prestanda. Flera lovande alternativa redoxmediatorer kommer att diskuteras i avsnitt Komponenter för effektivare DSC.

En nackdel jämfört med annan solcellsteknik är användningen av en flytande redoxelektrolyt i effektiva DSC. Detta gör inkapsling problematisk och gör anordningarna mindre kompatibla med annan solcellsteknik i fast tillstånd. Den flytande redoxelektrolyten kan dock ersättas med en hålledare i fast tillstånd i DSC:er för att göra DSC:er helt och hållet i fast tillstånd (Bach et al., 1998). Tyvärr sker detta vanligtvis till priset av snabbare rekombination och en lägre total prestanda.

För att få ett betydande genomslag inom solcellsområdet måste prestandan hos DSC förbättras ytterligare. Deras rekordhöga verkningsgrad vid 1 solbelysning, som visas i tabell 1, är strax över 10 %, vilket är lägre än för de flesta andra konkurrerande solcellstekniker. För inomhustillämpningar håller dock DSC rekordet i prestanda med 32 % vid 1 000 lux (Cao et al., 2018). En anledning till detta är att färgämnets absorptionsspektrum idealiskt kan matcha emissionsspektrumet för en ljuskälla inomhus.

Detta perspektiv fokuserar mest på DSC:s effektivitet, men i slutändan är deras långsiktiga stabilitet lika viktig för praktiska tillämpningar.

Begränsande faktorer i DSC

Shockley-Queisser-gränsen (SQ-gränsen) anger den maximala verkningsgrad som kan uppnås för en solcellsanordning med en enda förbindelse, som är 33,8 % vid 1 000 W m-2 solinstrålning med spektralfördelning AM1,5G (Green, 2012). Även om denna gräns har tagits fram för halvledaranordningar är den i princip giltig även för DSC:er. Bandgapet Eg fastställer intervallet för ljusabsorption: alla fotoner med energier större än Eg absorberas och bidrar till fotoströmmen, de med mindre energier överförs och används inte. De enda rekombinationsprocesser som beaktas vid härledningen av SQ-gränsen är strålningsprocesser, eftersom dessa är oundvikliga. Alla icke-strålande rekombinationsprocesser kommer att sänka verkningsgraden ytterligare. Enligt SQ-analysen är det optimala bandgapet 1,3 eV; den maximalt möjliga verkningsgraden sjunker gradvis till 25 % för Eg = 1,9 eV. Detta skulle motsvara ett färgämne med en absorptionsstartvåglängd på 650 nm, ett värde som vanligen erhålls för effektiva sensibiliseringsfärgämnen i DSC. Motsvarande teoretiska fotoström under kortslutningsförhållanden, JSC, skulle vara 17 mA cm-2.

Medan den maximala öppna kretspotentialen (VOC) i halvledarfotovoltaik har Eg/e som den absoluta övre gränsen, sätts den övre gränsen för DSC av skillnaden mellan ledningsbandspotentialen EC hos TiO2 på ena sidan och redoxpotentialen hos elektrolyten på den andra sidan. Detta värde kommer alltid att vara mindre än färgämnets ”bandgap”. EC för TiO2 anatas är ca -0,5 V mot NHE när ytan är oladdad (dvs. vid neutralt pH, utan adsorption av specifika joner och utan elektronackumulering). Denna nivå kan ändras genom tillsatser i elektrolyten som leder till en förändring av ytladdningen eller ändrar dipolmomentet vid gränsytan mellan halvledare och elektrolyt. Alternativt kan EC ändras genom kemisk modifiering av TiO2, till exempel genom inkorporering av Mg i strukturen, vilket kan förskjuta EC till en mer negativ potential, till cirka -0,7 V jämfört med NHE (Kakiage et al., 2016). Ultratunna metalloxidskikt (t.ex. Al2O3) som täcker det mesoporösa TiO2 kan också påverka EC:s placering (Kay och Grätzel, 2002). Sådana skikt påverkar också kinetiken för elektronöverföringsreaktioner i gränsytan och kan användas för finjustering av egenskaperna hos DSC.

Den elektrokemiska potentialen för elektroner i TiO2, vanligen kallad Fermileveln EF, ges av:

där kB är Boltzmannkonstanten, T den absoluta temperaturen, e elementarladdningen (kBT/e är 0.0257 V vid rumstemperatur), nc är tätheten av elektroner i ledningsbandet och Nc är den effektiva tätheten av elektroniska tillstånd i botten av ledningsbandet. Nc är en materialkonstant och är ca 1020 cm-3 för TiO2 anatas. Vid belysning i öppen krets beror EF på nc, som i sin tur beror på generationsflödet av injicerade elektroner och hastighetskonstanterna för elektronrekombination. Som tumregel är EF ungefär 0,1 V mer positiv än EC vid 1 sol.

Formella reduktionspotentialer för en serie redoxmediatorer för DSC anges i tabell 1 tillsammans med erhållna registreringseffektiviteter i DSC. Det inledande arbetet med DSC fokuserade på redoxparet I3-/I-, som har en mycket gynnsam elektronöverföringskinetik, vilket ger mycket låga rekombinationsförluster och hög JSC. Detta sker dock till priset av en relativt låg VOC på grund av redoxpotentialens ganska negativa värde. Framgångsrika alternativa redoxmediatorer har en mer positiv redoxpotential och kan ge högre VOC. Nästan alla dessa redoxmediatorer ger dock snabbare elektronrekombination till oxiderade redoxmediatorer, vilket sänker Fermi-nivån på TiO2 under operativa förhållanden.

Den högsta rapporterade VOC för en DSC är 1,4 V och erhölls för ett Mg-dopat TiO2 med ytterligare ytmodifiering med MgO och Al2O3, sensibiliserat med ett kumarinfärgämne och i kombination med Br3-/Br-redoxparet (Kakiage et al., 2016). Doteringen och ytmodifieringen av TiO2 höjde ledningsbandskanten till cirka -0,7 V jämfört med NHE, medan redoxparets formella potential är cirka +0,9 V jämfört med NHE.

De bäst presterande DSC:erna med Co(bpy)3-redoxelektrolyten kan erhålla en VOC på cirka 0,9 V. VOC:n för de bästa ssDSC:erna med spiro-MeOTAD-hålledare är cirka 0,8 V. Eftersom redoxpotentialen för Co- och spiro:MeOTAD-hålledaren skiljer sig åt med cirka 0,2 V, innebär detta att Fermi-nivån i TiO2 är cirka 0,3 eV lägre i det mesoporösa TiO2 för ssDSC-enheten vid belysning i öppen krets. Detta beror på en mycket snabbare elektronrekombinationskinetik. Med hjälp av ekvation 1 kan man uppskatta att koncentrationen av elektroner i ledningsbandet är många storleksordningar lägre i ssDSC än i Co(bpy)3-DSC.

Som framgår av figur 1 uppvisar energinivån för grundtillståndsfärgämnet en Gauss-fördelning, med en genomsnittsenergi som ligger under den formella redoxenergin med en mängd som är lika stor som reorganiseringsenergin λ. Vid excitering bör energinivåerna D* överlappa med acceptornivåer i TiO2:s ledningsband för effektiv elektroninjektion. Ett lägre värde på λ skulle möjliggöra en närmare överensstämmelse mellan halvledarens EC och den beräknade standardpotentialen för det exciterade färgämnet, E0(D+/D*) och mindre spänningsförlust i DSC. Färgämnets reorganisationsenergi beror på intern molekylär reorganisering av färgämnet när det ändrar redoxtillstånd och extern reorganisering av lösningsmedelsskalet. På grund av avsaknaden av lösningsmedel bör reorganiseringsenergierna vara lägre i DSC i fast tillstånd.

Elektroninjektionen (reaktion 1 i figur 1) konkurrerar med strålande och icke strålande sönderfallsprocesser hos det exciterade färgämnet. Ett långlivat exciterat tillstånd hos färgämnet är därför gynnsamt. Överdriven energiförlust under injektionsprocessen bör dock undvikas (Haque et al., 2005). Efter injektionen färdas elektronerna genom den mesoporösa filmen och samlas in på FTO-substratet. Elektronrekombination till oxiderat färgämne (reaktion 4) och den oxiderade formen av redoxmediatorn (reaktion 5) måste undvikas. Elektronernas livslängd är den omvända delen av summan av hastighetskonstanterna för båda rekombinationsprocesserna. Det antas ofta att elektronrekombinationen till det oxiderade färgämnet är försumbar, eftersom färgämnesregenerationen vanligtvis är ganska snabb på en mikrosekunders tidsskala (reaktion 3). Under solcellsdriftsförhållanden ackumuleras dock en stor koncentration av elektroner i det mesoporösa TiO2, vilket kommer att påskynda rekombinationsprocessen avsevärt (Haque et al., 2000). Haque et al. fastställde att halveringstiden för rekombination för att oxidera Ru-färgämnet (N3) minskade till cirka 1 ns när en potential på -0,3 V mot NHE applicerades på den mesoporösa TiO2-elektroden (Haque et al., 2000). Därför kan betydande rekombination till den oxiderade sensibilisatorn äga rum i den färgämneskänsliga solenergin som drivs vid MPP-förhållanden.

Kinetiken för elektronrekombination till redoxelektrolyten beror mycket starkt på arten av den oxiderade formen av redoxmediatorn. Den är mycket långsam för triiodid, snabbare för koboltmediatorer och ännu snabbare för trifenylaminbaserade mediatorer eller hålledare. Avgörande för en framgångsrik användning av de två sistnämnda är att kinetiken kan bromsas genom strukturell modifiering av färgämnet: gruppen kan bromsa rekombinationsprocessen.

En lång elektronlivslängd är gynnsam för DSC eftersom den förbättrar VOC. I vanliga DSC:er med flytande elektrolyter är elektronlivslängden vanligtvis 1-10 ms under öppna kretsar och en solbelysning. Elektronernas transporttid bör vara mindre än livslängden för att undvika förluster under transporten. Typiska värden under kortslutningsförhållanden är ungefär en storleksordning mindre än elektronlivslängden. Under driftsförhållanden (vid MPP) är elektrontransporten i det mesoporösa TiO2 inte en begränsande faktor, eftersom transporten blir snabbare vid ökad elektronackumulering, vilket resulterar i en mer negativ potential för EF. Med andra ord blir transportmotståndet Rtr mindre när TiO2/elektrolytkondensatorn CTiO2 laddas, se figur 2.

Under förhållanden med öppen krets är det externa motståndet Rext oändligt. All ström går då genom rekombinationsmotståndet Rrec. Detta är det normala tillståndet för att mäta elektronernas livslängd τ, som är lika med Rrec × CTiO2. Under kortslutningsförhållanden är Rext lika med 0. Laddningsinsamlingseffektiviteten : ηCC ges då av Rrec/(Rseries + Rtr + Rrec), där Rseries är det seriemotstånd som diskuteras nedan. Under MPP-förhållanden finner vi: ηCC = Rrec /(Rseries + Rtr + Rext + Rrec).

Baserat på detta enkla schema är det uppenbart att rekombinationsmotståndet måste maximeras för att öka ströminsamlingseffektiviteten och utgångsspänningen över det externa motståndet under MPP-förhållanden. Rekombinationsmotståndet minskar med ökande tjocklek och yta på den mesoporösa elektroden. Ökad tjocklek ökar dock den genererade fotoströmmen. För varje specifikt DSC-system finns det en optimal filmtjocklek: Typiska värden är ~10 μm för vanliga DSC med flytande elektrolyt och ~2 μm för DSC i fast tillstånd.

En del förluster av seriemotstånd är oundvikliga i praktiska DSC-enheter. Det kommer att finnas ett visst motstånd på grund av de FTO-substrat som används, på grund av laddningsöverföringsmotståndet vid motelektroden och på grund av diffusionsmotståndet i elektrolyten. Han et al. gör en detaljerad analys av motstånden i DSC och minimerade Rseries ner till 1,8 Ohm cm-2 genom att optimera motelektrodens katalytiska prestanda och elektrolytavståndet mellan arbets- och motelektroden (Han et al., 2005). Genom att minimera avståndet mellan WE och CE minimeras diffusionsmotståndet i elektrolyten. Det finns dock fortfarande ett återstående motstånd på grund av diffusion av redoxmediatorn i porerna i arbetselektroden. Kortslutning mellan WE och CE måste också undvikas. Användningen av PEDOT på motelektroden verkar förhindra kortslutning (Cao et al., 2018).

Komponenter för effektivare DSC

Mesoporösa metalloxidelektroder

Mesoporöst TiO2 (anatas) är den överlägset mest använda halvledarelektroden med brett bandgap som används i DSC, och hittills den mest framgångsrika. I flera studier har nanopartiklarnas storlek, filmens porositet och TiCl4 efterbehandling (Ito et al., 2008) optimerats, men de optimala parametrarna för ett specifikt färgämneskänsligt solcellssystem beror starkt på färgämne och redoxmediatorsystem. Till exempel är mer porösa mesoporösa filmer bäst för DSC med koboltkomplex som redoxmediator. Ett ytterligare reflekterande TiO2-skikt läggs vanligen till ovanpå ett transparent TiO2-skikt för att förbättra ljusinsamlingen (Ito et al., 2008). Alternativt kan reflekterande partiklar (Wang et al., 2004) eller hålrum (Hore et al., 2005) införlivas i den mesoporösa filmen. Ytmodifiering med ultratunna metalloxider kan vara fördelaktigt (Kay och Grätzel, 2002; Kakiage et al., 2015). Trots detta är vissa egenskaper hos TiO2 inte idealiska: TiO2 är en välkänd fotokatalysator. Bandgapet hos TiO2 anatas är 3,2 eV, vilket innebär att ljus under 390 nm kan excitera halvledaren, vilket leder till mycket reaktiva hål. Hålen kan leda till destruktiva oxidationsreaktioner med organiska komponenter i DSC. UV-filter används därför i allmänhet för långsiktiga stabilitetsstudier av DSC-enheter i fullt solljus. Det finns sätt att minimera TiO2:s fotokatalytiska verkan, till exempel genom att lägga till ett ultratunt lager av Al2O3 eller MgO (Kay och Grätzel, 2002).

Det är fördelaktigt att använda en mesoporös halvledare med ett högre bandgap. SnO2 med Eg på 3,6 eV absorberar inte lika mycket UV-ljus från solspektrumet. SnO2 har framgångsrikt använts har använts i DSC, men dess Eg ligger på en mer positiv potential med cirka 0,5 V jämfört med TiO2, vilket begränsar dess prestanda på grund av låg spänningsutgång. Genom att täcka SnO2 med ett ultratunt metalloxidskikt (t.ex. ZnO, Al2O3 eller MgO) kan en mycket bättre spänning erhållas (Kumara et al., 2001; Kay och Grätzel, 2002).

ZnO har studerats intensivt som en nanostrukturerad elektrod i en mängd olika morfologier i DSC (Zhang et al., 2009). Även om det finns påståenden om att dess bättre egenskaper för elektrontransport borde göra ZnO till en bättre nanostrukturerad elektrod för DSC, har man inte funnit någon förbättrad prestanda jämfört med de traditionella mesoporösa TiO2-elektroderna. Detta beror på att elektrontransporten inte är en begränsande faktor för DSC under operativa förhållanden (vid MPP). I allmänhet kan andra metalloxider fungera som mesoporösa elektroder i DSC-enheter, men än så länge är deras prestanda lägre än deras motsvarigheter i TiO2.

Färgämnen

Som kommer att diskuteras senare finns det ett krav på tunnare mesoporösa TiO2-elektroder som ställs av nya redoxmediatorer för DSC och hålledare för ssDSC. Det finns därför ett behov av färgämnen med högre extinktionskoefficienter än de traditionella Ru-komplexbaserade färgämnena. Organiska färgämnen är därför att föredra, vilket framgår av tabell 1 med de bästa DSC-ämnena. Strukturer och vissa absorptionsparametrar för utvalda färgämnen visas i figur 3. Många framgångsrika organiska färgämnen har en donator-pi-acceptor-struktur (DpA), vilket leder till att elektrontätheten rör sig mot acceptordelen vid fotoexcitering. Vanligtvis är bindningsgruppen inkorporerad i acceptordelen, som i fallet med cyanoakrylsyra.

Färgämnenas struktur har en viktig roll för deras totala prestanda. Ett bra blockeringsbeteende är avgörande för en framgångsrik användning i kombination med de nya redoxmediatorerna eller hålledarna. Steriska grupper kan bromsa elektronöverföringen mellan TiO2 och den oxiderade redoxmediatorn eller hålledaren (Feldt et al., 2010).

Ett annat krav för optimerad prestanda är färgämnen med relativt lång exciterad tillståndslivslängd och högt fluorescensutbyte. Alla snabba deaktiveringsvägar bör undvikas eftersom det kommer att påverka prestandan negativt. Om excitationslivslängden är längre kommer injektionseffektiviteten att öka. Wang et al. utvecklade en serie starkt fluorescerande organiska färgämnen med förbättrad livstid, till exempel R6 med en fluorescerande livstid på 260 ps för R6 adsorberad på mesoporös Al2O3-film (Ren et al., 2018).

Co-sensibilisering är ett framgångsrikt sätt att förbättra prestandan hos DSC. Rekordanordningar är vanligtvis baserade på co-sensitiserade solceller, se tabell 1. Stark och panchromatisk ljusabsorption kan uppnås genom att välja lämpliga färgämnen. I flera fall har co-sensitisering den fördelaktiga effekten att färgämnesaggregationen minskar (Ogura et al., 2009; Hao et al., 2016a). Dessutom kan en högre färgämnesbelastning erhållas. Ett intressant tillvägagångssätt är att använda färgämnen med olika bindningsgrupper som inte konkurrerar om samma bindningsplatser på TiO2. Shibayama et al. kombinerade framgångsrikt det svarta färgämnet (med bindningsgrupper av karboxylsyra) med ett organiskt färgämne som besitter en pyridinbindningsgrupp (Shibayama et al., 2014). De visade att färgämnena adsorberades till olika bindningsställen.

Redoxmediatorer

Koboltbaserade redoxmediatorer har testats för DSC sedan 2001 (Nusbaumer et al., 2001; Sapp et al., 2002), men deras genombrott kom senare, 2010, genom Feldt et al. (2010) som för första gången demonstrerade effektiva DSC:er med koboltkomplexbaserade redoxmediatorer genom att välja färgämnen med lämpliga egenskaper. Till skillnad från triiodid/iodid-systemet kan koboltkomplex uppvisa ett brett spektrum av redoxpotentialer, beroende på den kemiska strukturen hos deras ligander. Variation av motjoner i dessa komplex är också viktig: detta kan starkt påverka lösligheten i olika lösningsmedel. Det gör det till exempel möjligt att använda dessa redoxmediatorer i vattenbaserade elektrolyter (Ellis et al., 2016). Intressant nog har god stabilitet rapporterats för elektrolyter baserade på vatten (Ellis et al., 2016), eller som innehåller stora koncentrationer av vatten (Law et al., 2010), vilket kan öppna upp för mer miljövänliga solcellsanordningar. Koboltkomplexens strukturer och redoxpotentialer visas i tabell 1.

Nyligen genomförda undersökningar i vår grupp pekar tydligt på ett problem med den nuvarande generationen av koboltredoxmedierare: de har en relativt långsam elektronöverföringskinetik (Hao et al., 2016b). Den långsamma reduktionen av Co3+-arter är gynnsam, eftersom den ger långsam kinetik för elektronrekombination med Co3+. Å andra sidan är den relativt långsamma regenereringen av oxiderade färgämnesmolekyler med Co2+ en kritisk fråga som begränsar DSC-prestandan. Detta har inte uppmärksammats i tidigare arbete med koboltbaserad DSC. Tillsats av en snabb elektrondonator, t.ex. en trifenylamin TPA, leder till en mycket snabb regenerering av de oxiderade färgämnesmolekylerna, som ligger på sub-ns tidsskalan (Hao et al., 2016b). Den oxiderade donatorn reduceras i sin tur av Co2+-arter. Som ett resultat av detta hittades mycket högre VOC och en markant ökning av elektronlivslängden, se figur 4. Rekombinationen mellan elektroner i TiO2 och oxiderade färgämnesmolekyler undertrycks kraftigt av TPA-tillsatsen, vilket visar att det förekom mycket rekombination utan denna tillsats. Som ett resultat av detta ökade VOC med cirka 100 mV, medan experimentet med laddningsextraktion visade att TiO2:s bandkantsnivå var oförändrad.

Interessant nog leder tillsats av elektrondonatorn till en intermediär redoxnivå i DSC. Detta är inte helt olikt situationen för triiodid/iodid-elektrolyten, där diiodidradikalen ger en intermediär redoxnivå (Boschloo och Hagfeldt, 2009).

En annan nyare utveckling av redoxmediatorer, som till stor del drivits av vår forskningsgrupp, är användningen av kopparkomplex (Freitag et al., 2015, 2016; Saygili et al., 2016). Dessa mediatorer uppvisar snabbare färgämnesregenereringskinetik jämfört med koboltkomplex (Freitag et al., 2016). Oväntat nog observerades relativt långa elektronlivslängder. Mycket färsk forskning från Hamann visade att Cu2+-tillståndet är kemiskt instabilt och att ett Cu-komplex med 4-tert-butylpyridin bildas, som har en mer positiv potential och uppvisar långsam elektronöverföringskinetik (Wang och Hamann, 2018).

Solid-State DSCs

För att göra solid-state DSCs kan den flytande redoxelektrolyten ersättas av ett fast håltransportmaterial (HTM). De mest lovande resultaten har uppnåtts med molekylära organiska håltransportörer som spiro-MeOTAD, ledande polymerer som PEDOT och helt nyligen med metallkomplex (Freitag et al., 2015).

Organiska småmolekylära HTM:er som spiro-MeOTAD ger en mycket snabb färgämnesregenerering i picosekund-regimen. Även om porfyllning kan vara ett problem kan vanligtvis full kontakt mellan färgämne och HTM uppnås för relativt tunna mesoporösa TiO2-filmer, även när porfyllningsfraktionen är långt under 100 % (Snaith et al., 2008; Cappel et al., 2009; Melas-Kyriazi et al., 2011). De största begränsningarna för ssDSC beror på den mycket snabba rekombinationen mellan elektroner i TiO2 och hål i HTM (Snaith et al., 2008; Melas-Kyriazi et al., 2011). Detta begränsar ssDSC:s prestanda genom att sänka utgångsspänningen avsevärt.

Den överraskande upptäckten att uttorkade DSC med Cu-komplex redoxelektrolyt fortfarande fungerade som effektiva solceller, ledde till en ny typ av ssDSC, den s.k. zombiesolcellen (Freitag et al., 2015). Nyligen genomförda optimeringar ledde till en rekordeffektivitet på 11,7 % hittills (Zhang et al., 2018). Till skillnad från andra HTMs finns relativt långa elektronlivslängder och relativt tjocka TiO2-filmer kan användas. Den exakta karaktären av den amorfa torkade elektrolyten HTM, som innehåller Cu(tmbpy)2, LiTFSI och kanske 4-tert-butylpyridin måste utforskas.

I allmänhet är ssDSC mycket attraktiva för praktisk tillämpning, men deras prestanda måste förbättras. Införandet av en intermediär redoxnivå kan vara till hjälp: den skulle kunna avlägsna de bildade hålen snabbt från gränssnittet mellan TiO2 och färgämnet.

Slutanmärkningar

Trots tre decennier av intensiv forskning om färgämneskänsliga solceller finns det fortfarande många aspekter som måste utforskas för att ytterligare förbättra deras prestanda. Nästan oändliga typer av modifieringar av färgämnesmolekyler är möjliga, där steriska grupper kan införas för att bromsa rekombinationsreaktioner. Det finns ett behov av en mer optimal färgämnespackning på TiO2-ytan för att öka ljusabsorptionen och uppnå en bättre blockerande effekt. Co-sensibilisering erbjuder goda möjligheter i detta avseende. Nya redoxmediatorer och HTM:er är nyckeln till DSC med högre prestanda eftersom de kan ge mycket högre utgångsspänning än det traditionella redoxparet triiodid/iodid. DSC med hög prestanda är av intresse för många tillämpningar, från strömkällor för konsumentelektronik till integrerade solceller i byggnader och storskalig elproduktion. Möjligheten till hög transparens i det nära infraröda området öppnar också upp för användning av DSC som toppcell i tandemsolceller.

Författarens bidrag

Författaren bekräftar att han eller hon är den enda som bidragit till detta arbete och har godkänt det för publicering.

Intressekonfliktförklaring

Författaren förklarar att forskningen utfördes i avsaknad av kommersiella eller finansiella relationer som skulle kunna tolkas som en potentiell intressekonflikt.

Acknowledgments

STandUP for Energy tackas för finansiering.

.